CN102684192A - 一种有源电力滤波器的电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器的电流控制方法，把补偿电流的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化；其特征在于：将滞环比较器的宽度H设计成可跟随ic的大小而自动调节：用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器，每个时钟周期对△ic判断一次，使得PWM信号至少需要一个时钟周期才会变化一次。采用本滞环电流控制是基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好的优点；滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频SPWM调制方式，在三相高功率因数整流器中，滞环控制的隐含载波波频率随电网电压做周期性变化，变化频率为工频的2倍；滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较好，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内。

Description

一种有源电力滤波器的电流控制方法
技术领域
本发明主要涉及一种有源电力滤波器的电流控制方法，具体是一种采用滞环比较器进行有源电力滤波器的电流控制方法。 
背景技术
补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流指令信号产生补偿电流。电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中各个器件通断的PWM信号，控制的结果应该保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。 
混合型有源电力滤波器主要特点之一是快速动态补偿电网谐波电流和无功电流，这就需要一种简单易行、高效准确的电流控制方法。 
目前应用于有源电力滤波器的电流跟踪控制电路一般采用两种方法：三角波脉宽调制电流控制方法和滞环比较电流控制方法。前者开关频率固定，但响应较慢，精度较低；而后者实现较简单，精度较高且响应快，但开关频率可能波动很大。另外，不同文献也提出了其他各种控制方法，代价函数最小PWM法和空间矢量 PWM法、单周控制、无差拍控制、变结构控制等。 
以下对常见的控制方法进行简述： 
1、三角波脉宽调制电流控制方法
三角波与正弦波调制（SPWM）的控制方法在逆变器的控制中得到了广泛应用，而作为有源滤波器主电路的四象限变流器，其结构与逆变器相同，因此这种三角波脉宽调制的控制方法在有源电力滤波器中得到了应用。
在电压型逆变器的应用中，逆变器作为一个可控的电压源，它的控制指令一般是正弦的基波电压，或者按谐波消除规则生成的基波与谐波电压的组合。而有源电力滤波器的基本工作原理是作为一个可控的电流源向电网提供负载所需的谐波电流，所以有源电力滤波器的指令电流ic *必须先转化为相应的指令电压uc，作为SPWM的调制波。 
设icx *为有源电力滤波器x(x=a，b或c)相的输出指令电流，icx为其(x=a,b或c)相的实际输出电流，在传统的有源滤波器SPWM电流控制方法中，取ucx (x=a，b或c)正比于(icx *－icx)作为变流器的输出指令电压，即 
Figure 568306DEST_PATH_IMAGE001
（4-1）以保证APF输出电流跟踪指令电流的变化。 
2、滞环电流控制的瞬时值比较方式和三角波比较方式 
滞环电流控制集电流控制与PWM于一体，实际电流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点。指令电流的上、下限形成一个滞环。该方法将指令电流值与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中，然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件。
发明内容
本发明的主要任务在于提供一种有源电力滤波器的电流控制方法，具体是一种动态响应速度快 、鲁棒性好、滞环电流控制输出频谱范围宽的有源电力滤波器的电流控制方法。 
   为了解决以上技术问题，本发明的一种有源电力滤波器的电流控制方法，把补偿电流的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化；其特征在于：将滞环比较器的宽度H设计成可跟随ic的大小而自动调节：用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器，每个时钟周期对△ic判断一次，使得PWM信号至少需要一个时钟周期才会变化一次。 
本发明的优点在于：采用本滞环电流控制是基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好的优点；滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频SPWM调制方式，在三相高功率因数整流器中，滞环控制的隐含载波波频率随电网电压做周期性变化，变化频率为工频的2倍；滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较好，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内。 
根据上述原理及分析，将这种控制方式的特点总结如下： 
    (1)硬件电路十分简单；
    (2)属于实时控制方式，电流响应很快；
    (3)不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；
    (4)属于闭环控制方式，这是跟踪型PWM控制方式的共同特点；
(5)滞环的宽度不固定，电流跟随误差范围小，且影响开关频率小。
附图说明
   图1为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图； 
   图2为实施例2电流方向示意图；
   图3为滞环比较器工作原理图；
   图4为定时控制的瞬时值比较方式原理图。
具体实施方式
实施例1 
图1为以一相的控制为例，采用滞环比较器1的瞬时值比较方式的原理图，在该方式中，把补偿电流的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器1的输入，通过滞环比较器1产生控制主电路中开通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路2来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。
实施例2 
下面以a相为例进一步讨论，设ic的方向如图2所示；当V1器件(IGBT或二极管)导通时，ic将减小；而当V4器件导通时，ic将增大。用H来表示滞环比较器1的带宽，滞环比较器1工作原理如图3所示，当
Figure 158162DEST_PATH_IMAGE002
时，滞环比较器1的输出保持不变；而当
Figure 615689DEST_PATH_IMAGE002
时，滞环比较器1的输出将翻转，假设后面的驱动电路2和主电路无延时，则补偿电流ic的变化方向随之改变，这样△ic就在一H与H之间变化，即ic就在ic*-H和ic*+H之间的范围内，呈锯齿波状地跟随ic变化。
    从上述控制方式中，滞环比较器1的宽度H对补偿电流的跟随性能有较大的影响。当H较大时，开关通断的频率即电力半导体器件的开关频率较低，故对电力半导体器件的要求不高，但是跟随误差较大，补偿电流中高次谐波较大。反之，当H较小时，虽然跟随误差较小，但是开关频率较高。 
    根据上述原理及分析，将这种控制方式的特点总结如下： 
    (1)硬件电路十分简单；
    (2)属于实时控制方式，电流响应很快；
    (3)不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；
    (4)属于闭环控制方式，这是跟踪型PWM控制方式的共同特点；
    (5)若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。
    在采用滞环比较器1的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，因此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。尤其是ic变化的范围较大时，一方面，在 ic值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大；另一方面，在ic值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。 
    针对采用滞环比较器1的瞬时值比较方式在环宽固定时的这一缺点，本实施例解决的方法是将滞环比较器1的宽度H设计成可跟随ic的大小而自动调节的。 
    该方式中，增加一个由时钟定时控制的比较器3，如图4所示。每个时钟周期对△ic判断一次，使得PWM信号至少需要一个时钟周期才会变化一次，这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避免器件开关频率过高的情况发生。 
总结，采用本滞环电流控制是基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好的优点；滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频SPWM调制方式，在三相高功率因数整流器中，滞环控制的隐含载波波频率随电网电压做周期性变化，变化频率为工频的2倍；滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较好，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内。

Claims (1)

1.一种有源电力滤波器的电流控制方法，把补偿电流的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化；其特征在于：将滞环比较器的宽度H设计成可跟随ic的大小而自动调节：用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器，每个时钟周期对△ic判断一次，使得PWM信号至少需要一个时钟周期才会变化一次。
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